防銹油對QPQ滲層抗腐蝕性能的影響

(西華大學(xué)先進(jìn)材料及能源研究中心，四川 成都 610039)

·先進(jìn)材料與能源·

防銹油對QPQ滲層抗腐蝕性能的影響

吳 浩，羅德福*，祝 偉

(西華大學(xué)先進(jìn)材料及能源研究中心，四川 成都 610039)

針對機械產(chǎn)品在腐蝕環(huán)境，尤其是特殊腐蝕條件下易腐蝕的問題，研究表面粗糙度Ra0.2的非調(diào)質(zhì)態(tài)45鋼經(jīng)過QPQ處理并結(jié)合使用防銹油后的抗腐蝕性能。利用中性鹽霧加速腐蝕，通過光學(xué)顯微鏡、X線衍射儀觀察分析，結(jié)果表明：QPQ處理后抗腐蝕性增強，主要原因是滲層中形成氧化膜和化合物層；防銹油提高了產(chǎn)品的耐腐蝕能力，主要原因是防銹油中油溶性緩蝕劑作用。經(jīng)過QPQ處理和防銹油結(jié)合使用的試樣的耐蝕性得到極大提高，最長抗鹽霧腐蝕時間可達(dá)432 h，在工業(yè)防腐蝕中有很大的應(yīng)用范圍。

腐蝕性能；QPQ滲層；防銹油；中性鹽霧試驗

腐蝕是一種常見的金屬失效形式，是指材料與其所處環(huán)境介質(zhì)之間發(fā)生作用而引起材料變質(zhì)、破壞和性能惡化的現(xiàn)象。習(xí)慣上，將在大氣條件下鋼鐵的腐蝕產(chǎn)物稱為銹。廣義上講，所有金屬在大氣條件下生成的腐蝕產(chǎn)物統(tǒng)稱為銹，并將這一腐蝕過程稱為生銹。據(jù)報道，全世界每年因金屬腐蝕造成的直接經(jīng)濟損失約達(dá)7 000億美元。我國作為鋼鐵產(chǎn)量最多的國家，每年被腐蝕的鋼鐵占到鋼鐵產(chǎn)量的1/10，因金屬腐蝕造成的損失占GDP的2%～4%[1]，而腐蝕導(dǎo)致的火災(zāi)、機毀人亡、艦船沉沒、橋梁斷裂等事故也直接威脅人類的生命安全。因此，抑制或延緩金屬的腐蝕具有重要的意義。

目前，在金屬的防腐蝕應(yīng)用方面，QPQ技術(shù)和防銹油的使用都能大大提高金屬產(chǎn)品的抗腐蝕性能。其中，QPQ技術(shù)亦稱作QPQ鹽浴復(fù)合處理技術(shù)，經(jīng)過QPQ技術(shù)處理后的金屬零件，能夠在表面形成Fe2～3N化合物層和致密的Fe3O4氧化膜，使得金屬件在大氣、鹽霧、弱酸、濃堿等環(huán)境下都具有很高的耐蝕性能，QPQ處理技術(shù)適用的材料范圍非常廣泛，覆蓋絕大部分黑色金屬。而防銹油作為一種防止或減緩金屬生銹的產(chǎn)品，是在石油類基體組分中加入1種或多種油溶性緩蝕劑及其他輔助添加劑組成的，多用于金屬制品的工序間防銹、半成品防銹、成品運輸防銹和成品封存防銹[2]。它具有防銹效果好、使用方便、成本低廉、操作簡便和容易去除等優(yōu)點，涂覆防銹油是保護(hù)金屬產(chǎn)品的重要手段之一，得到了廣泛應(yīng)用。

QPQ技術(shù)和防銹油的使用都能提高金屬產(chǎn)品的抗腐蝕性能，如果根據(jù)它們的特點在金屬制品上結(jié)合使用，在QPQ處理之后浸漬防銹油能進(jìn)一步提高機械產(chǎn)品的耐蝕性能，則在機械行業(yè)將有很廣泛的應(yīng)用前景。

1 實驗樣品、設(shè)備及方法

1.1實驗樣品

實驗樣品為φ10 mm×200 mm活塞桿，表面粗糙度為Ra0.2，材質(zhì)為非調(diào)質(zhì)態(tài)45鋼，對應(yīng)的化學(xué)成分見表1。為保證實驗的準(zhǔn)確性，所有試樣均出自同一批次。

表1 45鋼的化學(xué)成分 %

1.2實驗設(shè)備

實驗采用的設(shè)備有KD-60鹽霧試驗機，4XC型倒置式金相顯微鏡，DX2000型X線衍射儀。

1.3實驗方法

1)用無水乙醇將所有試樣表面清洗干凈并用冷風(fēng)吹干，然后分為5組，每組3根試樣。第1組試樣不做任何處理，第2～6組試樣先進(jìn)行QPQ技術(shù)處理，工藝曲線圖如圖1，順序為先進(jìn)行560 ℃×150 min鹽浴氮化+400 ℃×30 min鹽浴氧化，然后采用機械拋光10 min，最后400 ℃×30 min鹽浴氧化+水冷。QPQ技術(shù)處理后，將試樣表面用無水乙醇清洗干凈，并用冷風(fēng)吹干，第2組試樣不再進(jìn)行任何處理，第3、4、5組試樣在QPQ技術(shù)處理后，分別浸涂A、B、C 共3種規(guī)格的防銹油，第6組試樣浸涂普通機油，然后在無陽光直射的地方自然晾干30 min。

2)將5組試樣全部放入鹽霧試驗機試驗箱中，放置試樣時應(yīng)注意試樣相互之間不要接觸，也不能與試驗箱壁相碰,實驗開始后就應(yīng)連續(xù)噴霧，中途不得關(guān)閉或暫停鹽霧試驗機，以免對實驗結(jié)果造成影響。實驗開始后觀察并記錄所有試樣的有效面積出現(xiàn)銹跡的時間，取每組3個試樣出現(xiàn)銹跡時間的算術(shù)平均值為該組試樣的抗鹽霧腐蝕時間。

本文的鹽霧腐蝕實驗采用中性鹽霧加速腐蝕實驗，實驗標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 10125—1997和ASTM(美國材料與試驗協(xié)會)B117。其飽和溫度范圍為37～55 ℃，溫度波動范圍為±0.5 ℃，溫度均勻度為±2 ℃，鹽霧沉降速率為1～2 ml/(80 cm2·h),噴霧方式為氣流擋板式，連續(xù)不間斷噴霧。鹽霧試驗機所用的NaCl溶液為NaCl與蒸餾水配制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%(±0.1%)的鹽溶液，其pH值在6.5～7.2((35±2) ℃)之間，若其pH值不在此范圍內(nèi)，則向NaCl溶液中加入適量的氫氧化鈉或者稀鹽酸來調(diào)整。

圖1 QPQ處理工藝曲線圖

2 實驗結(jié)果及分析

從圖2中比較第1組和第2組的抗鹽霧腐蝕時間，可以看出未經(jīng)任何處理的試樣在鹽霧環(huán)境下僅3 h就出現(xiàn)銹跡，而經(jīng)過QPQ處理的試樣，抗鹽霧腐蝕時間達(dá)到了160 h。

圖2 6組試樣抗鹽霧腐蝕時間

在標(biāo)準(zhǔn)鹽霧實驗環(huán)境中，由于 NaCl是一種很強的電解質(zhì)，極易吸潮，在水中完全電離，電解為Cl-和Na+。鹽霧對金屬材料表面的腐蝕是由于Cl-的半徑相對較小具有強烈的穿透能力，很容易穿透金屬表面的氧化層和保護(hù)層與內(nèi)部金屬發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而腐蝕，從而造成金屬材料表面的破壞。

由圖3可以看出，經(jīng)QPQ處理后的試樣抗鹽霧腐蝕時間大大增加，這跟它在進(jìn)行QPQ處理中形成的滲層有關(guān)。經(jīng)QPQ工藝處理后，試樣表面的組織從外到內(nèi)依次為Fe3O4氧化膜、化合物層、擴散層和基體，試樣表面的滲層之所以能夠達(dá)到保護(hù)基體不受或減緩腐蝕的效果，其實質(zhì)是通過各種物理化學(xué)的方法打斷或抑制了金屬表面的電化學(xué)腐蝕過程。一方面是由于滲層中致密氧化膜Fe3O4的摩擦因數(shù)低且化學(xué)穩(wěn)定性好，不僅能起到阻隔空氣、液體等對基體的腐蝕效果，還隔斷了腐蝕介質(zhì)與化合物層間的通道，保護(hù)化合物層不受腐蝕，氧化膜中的氧化物還提高了氮化物層中氧的含量，進(jìn)一步提高了試樣的抗蝕性；另一方面則是由于化合物層的耐腐蝕性比基體材料的耐腐蝕性更好[4]：因此，在Fe3O4氧化膜和化合物層的雙重保護(hù)作用下，試樣的抗腐蝕性能得到大大提高，因而其抗鹽霧腐蝕時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未經(jīng)QPQ處理的試樣。

圖3 QPQ試樣的滲層顯微組織

圖4是經(jīng)過QPQ處理后試樣的XRD圖譜。可以知道，試樣的表層主要是由Fe3N和Fe2N組成，而QPQ處理工藝最后一步是氧化工序，會在試樣的表面形成一層Fe3O4膜。

圖4 QPQ的XRD圖譜

從圖2可以看出，QPQ技術(shù)處理后浸涂防銹油的3、4、5組試樣抗鹽霧腐蝕時間均高于僅做QPQ技術(shù)處理的第2組試樣，QPQ技術(shù)處理后浸涂普通機油的第6組試樣抗鹽霧腐蝕時間稍高于第2組試樣，但遠(yuǎn)低于3、4、5組試樣。通過第6組與3、4、5組試樣抗鹽霧腐蝕時間的對比可知，油溶性緩蝕劑是防銹油中起防銹作用的關(guān)鍵組分。防銹油通常由成膜劑、油溶性緩蝕劑和其他輔助添加劑(如分散劑、抗氧化劑、防霉劑和消泡劑等)多種材料混合制成。成膜劑能在金屬表面形成一層油膜，對防銹膜起到增強和保護(hù)作用。油溶性緩蝕劑是油的表面活性劑，通常分子中含有極性基團和非極性基團。當(dāng)緩蝕劑分子吸附在金屬表面后，與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成不溶或難溶的鈍化膜，阻滯腐蝕的過程。緩蝕劑分子的極性基團依靠分子間的物理或化學(xué)作用力，牢固地吸附在金屬表面，非極性基團溶入油中，在油-金屬界面上形成緊密的緩蝕劑分子定向吸附層，阻止水、氧和其他腐蝕性物質(zhì)的侵蝕，從而起到緩蝕的作用[5]。可以知道，防銹油能進(jìn)一步提高試樣的抗鹽霧腐蝕性能，而通過對比3種防銹油，可以看出防銹油A抗腐蝕效果最佳，達(dá)到了432 h。

3 結(jié)論

本文采用QPQ對45鋼試樣進(jìn)行處理，通過光學(xué)顯微鏡和X線衍射儀觀察，以及在試樣表面涂覆普通機油和防銹油做比較，通過中性鹽霧加速腐蝕試驗，結(jié)果表明：

1)經(jīng)過QPQ處理后的45鋼試樣，其抗鹽霧腐蝕時間能達(dá)到160 h，其中主要起防腐蝕作用的是QPQ處理過程中試樣表面形成的Fe3O4氧化膜和Fe3N與Fe2N組成的化合物層；

2)經(jīng)過QPQ處理后的45鋼試樣在表面涂覆防銹油后，其抗鹽霧腐蝕時間得到大大提高，最高可達(dá)432 h，其中油溶性緩蝕劑在防銹油中起主要抗腐蝕作用。

目前，我國多數(shù)企業(yè)對生產(chǎn)過程的防銹及金屬制品的防銹都存在重視程度不夠的情況，造成產(chǎn)品的生銹或降低產(chǎn)品的品質(zhì)，給企業(yè)帶來較大的經(jīng)濟損失。QPQ處理技術(shù)與防銹油的使用都可以極大地提高金屬制品的耐蝕性，QPQ處理技術(shù)配合防銹油的使用則可以進(jìn)一步提高金屬制品的耐蝕性，尤其在海洋氣候等特殊腐蝕環(huán)境下，通過QPQ技術(shù)提高本身的耐蝕性和防銹油的作用，可以作為工序間防銹、封存防銹以及最終防銹的手段，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中機械產(chǎn)品的封存與防護(hù)。

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(編校：夏書林)

EffectofAnti-rustOilontheCorrosionResistanceofQPQLayers

WU Hao，LUO De-fu*，ZHU Wei

(AdvancedMaterialsandEnergyResearchCenter，XihuaUniversity，Chengdu610039China)

In view of the mechanical product under the conditions of corrosion, especially in the special easy corrosion situation, this paper studies the surface roughness of Ra0.2 state non quenched and tempered 45 steel treated with QPQ combined anti-rust oil after corrosion resistance. Use of neutral salt spray accelerated corrosion with optical microscope, and X-ray diffraction analysis shows that after QPQ treatment corrosion resistance is enhanced. The main reason is that permeability layer formed in the oxide film and compound layer. Rust-proof oil improve product corrosion resistant ability and the main reason is that the rust-proof medium oil soluble corrosion inhibitor. Dealing with QPQ treatment and rust-proof oil would greatly improve the corrosion resistance of the specimen, and the longest time is up to 432 hours of salt spray resistance, which can be used widely in industrial anti-corrosion.

corrosion performance；QPQ layers；antirust oil；neutral salt spray test

2014-03-14

：羅德福(1965—)，男，研究員，博士，主要研究方向為金屬材料及熱處理。E-mail:cddf@126.com

TG172.5

：A

：1673-159X(2015)03-0067-03

10.3969/j.issn.1673-159X.2015.03.013

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